一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法技术

本发明专利技术属于先进制造技术领域，提供一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法，首先为压电陶瓷浆料提供稳定的压力，以保证浆料按固定流量从喷口流出，同时在喷口处对压电陶瓷浆料施加电场，使之形成稳定的精细射流；然后将曲面基底固定在曲面基底六轴联动模块的夹具上，保证曲面基底在打印过程中始终与喷针射流保持垂直且距离喷口不变；通过协同控制曲面基底六轴联动模块和电场、流场的变化实现精细射流按需打印，并最终实现曲面压电陶瓷的电喷射打印成型。本发明专利技术实现复杂曲面陶瓷的按需打印制造，保证打印射流的稳定性和打印曲面的均匀一致性，避免传统制造工艺精度低、粘贴难度大等问题以及压电陶瓷和基体的粘接胶蠕变、结合强度弱等问题。

A method of printing curved piezoelectric ceramics by electrospray

The invention belongs to the field of advanced manufacturing technology and provides a method for printing curved surface piezoelectric ceramics by electric spraying. First, it provides a stable pressure for the piezoelectric ceramic slurry to ensure that the slurry flows out from the nozzle according to a fixed flow rate, and at the same time, an electric field is applied to the piezoelectric ceramic slurry at the nozzle to form a stable fine jet; then, the curved surface substrate is fixed on the curved surface substrate six axis linkage module In the fixture, the surface substrate is always perpendicular to the jet and the distance from the jet nozzle is constant in the printing process; through the collaborative control of six axis linkage module of the surface substrate and the change of electric field and flow field, the fine jet can be printed on demand, and finally the surface piezoelectric ceramic can be printed by electric jet. The invention realizes on-demand printing manufacturing of complex curved surface ceramics, ensures the stability of printing jet and uniformity of printing curved surface, avoids problems such as low precision of traditional manufacturing process, large difficulty of sticking, creep of adhesive between piezoelectric ceramics and matrix, weak bonding strength, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法
本专利技术属于先进制造
，涉及一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法。
技术介绍
近年来，智能装备不断向微型化、集成化、智能化方向发展，这一现状对机电系统也提出了更高的要求，需要实现空间全方位信息采集和曲面驱动变形等功能。在传感和驱动领域，压电陶瓷作为敏感传感和驱动元件，因具有响应快、结构简单、灵敏度高等优势，被广泛应用。目前，航空航天领域的变形翼飞行器，需要在弯曲翼面上集成数百个压电微驱动器以实现协同变形。航海工程领域的潜航器，需要捕捉空间多方向信号以实现航行器准确的导航控制；海洋预警声纳系统的水听器，需要感知水域中不同方向的信息以实现对各方位不明物体的准确识别。然而，压电传感和驱动敏感元件一般为平面结构，当对于空间曲面结构进行传感和驱动时，通常将压电陶瓷块材加工成薄片，以拼接、粘贴等方式安装到曲面基底上，这种方式存在精度低、粘贴难度大等问题，限制了复杂曲面传感和驱动的灵敏性和可靠性。此外，该方式还存在压电陶瓷和基体的粘接胶蠕变、结合强度弱等问题，严重影响了器件性能。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的难题，专利技术了一种电喷射打印制造曲面压电陶瓷的方法。采用压电陶瓷浆料，利用“电流体动力学”效应，浆料在电场力作用下形成微纳米级精细射流，结合曲面基底六轴联动系统和精细射流按需打印系统的协同控制的方法，直接打印制造微纳米级曲面压电陶瓷图案。该方法免除了传统曲面压电陶瓷的拼接、转移、粘贴等工艺，简化了工艺流程，将提高压电陶瓷形位精度和结合强度，并提高压电器件的电学、力学等性能。该方法解决了曲面压电陶瓷的制造难题，实现了曲面压电陶瓷的高精度和高性能制造。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法，采用包括电喷射压电陶瓷模块和曲面基底六轴联动模块两部分的曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置实现曲面压电陶瓷的打印；首先电喷射压电陶瓷模块为压电陶瓷浆料提供稳定的压力，以保证压电陶瓷浆料按固定流量从喷口流出，同时在喷口处对压电陶瓷浆料施加电场，形成精细射流；然后将曲面基底23固定在曲面基底六轴联动模块的可换夹具19上，保证曲面基底23在打印过程中始终与精细射流保持垂直且距离喷口不变；通过协同控制曲面基底六轴联动模块和电场、流场的变化实现精细射流按需打印，并最终实现复杂曲面结构压电陶瓷的电喷射打印成型。所述的曲面压电陶瓷电喷射打印成型装置具体组成如下：所述的电喷射压电陶瓷模块包括PC工控机1、CCD观察相机2、微量注射泵4、精密注射器5、软管6、喷针7和高压电源8；所述的精密注射器5固定在微量注射泵4上，通过软管6和喷针7相连，且喷针7固定在三维移动装置10的Z轴滑块上，位于三维旋转装置9的上方；所述的高压电源8，其正极输出端与喷针7相连接，其负极输出端与三维旋转装置9中的可换夹具19相连接；陶瓷浆料作为原材料墨汁，储存在精密注射器5中；所述的微量注射泵4供电后，控制精密注射器5以稳定的流量将原材料墨汁经过软管6后从喷针7口喷出，实现电喷射打印；所述的CCD观察相机2、微量注射泵4和高压电源8，均与PC工控机1连接，通过CCD观察相机2观察打印过程中射流的稳定性，通过PC工控机1控制微量注射泵4的注射以及高压电源8通电情况。所述的曲面基底六轴联动模块包括PC工控机1、定位相机3、三维旋转装置9和三维移动装置10；所述的三维旋转装置9包括导电滑环11、周向旋转架12、Y向旋转步进电机13、Y向旋转架14、X向旋转架16、调平配重17、可换夹具19、X向旋转步进电机20、周向旋转电机22、X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21；所述的Y向旋转架14和X向旋转架16为框架结构，二者分别由Y向旋转步进电机13和X向旋转步进电机20控制并提供Y向和X向的旋转力矩；可换夹具19固定安装在X向旋转架16上，X向旋转架16通过安装轴安装在Y向旋转架14，X向旋转架16绕轴旋转；所述的Y向旋转架14通过安装轴安装在周向旋转架12上，Y向旋转架14绕轴旋转；所述的周向旋转架12通过周向旋转电机22提供周向的旋转力矩并保证打印的均匀性，使周向旋转架12绕底座周向旋转；从而通过电机和旋转架的配合带动可换夹具19做曲面运动；所述的X向旋转步进电机20和调平配重17均安装在Y向旋转架14上，且二者的安装位置相对称，通过调平配重17平衡X向旋转步进电机20的重量；所述的X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21分别安装在X向旋转架16、Y向旋转架14和周向旋转架12上，并与PC工控机1相连接，为模块的旋转运动提供基准原点和限位点，并通过PC工控机1反馈限位和回零；所述的导电滑环11安装在周向旋转架12的下方，解决周向电机22的旋转导致Y向旋转步进电机13和X向旋转步进电机20以及X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21的控制线发生绕线问题；所述的曲面基底23固定在可换夹具19上，并通过紧定螺钉26进行紧固；所述的三维旋转装置9安装在三维移动装置10的X/Y二维移动平台上，三维移动装置10实现三维旋转装置9的X和Y轴平移运动，通过调节三维移动装置10的Z轴滑块的位置以调整喷针7与曲面基底23之间的距离；三维旋转装置9和三维移动装置10均与PC工控机1相连接，PC工控机1协同控制三维旋转装置9和三维移动装置10实现六轴联动运动，实现曲面基底23的X、Y轴旋转运动以及周向旋转运动，从而实现复杂压电陶瓷曲面轨迹的运动；所述的定位相机3固定在三维移动装置10的Z轴滑块上，位于三维旋转装置9的上方，且与PC工控机1连接，通过定位相机3和三维移动装置10的共同配合实现曲面基底23轨迹的精确重复定位。电喷射打印复杂曲面压电陶瓷结构的具体步骤如下：1)电喷射压电陶瓷浆料调节喷针7的高度，高压电源8在喷针7与可换夹具19之间施加电压，形成稳定电场；陶瓷浆料在微量注射泵4的推动下，从精密注射器5中通过软管6流至喷针7出口，在电场、重力场作用下，在喷针7口处形成稳定的精细射流，后续过程中可打印在曲面基底23上；在PC工控机1屏幕中监测CCD观察相机2视野内射流的打印情况；2)曲面压电陶瓷的电喷射打印成型PC工控机1通过定位相机3的观察并控制三维移动装置10运动进行定位，带动三维旋转装置9移动至预定打印点，实现初始位置设定，并通过PC工控机1和三个限位传感器反馈调整三维旋转装置9起始姿态；在电喷射压电陶瓷模块产生精细射流的过程中，通过PC工控机1设定曲面基底六轴联动模块的曲面运动轨迹，控制步进电机的工作，使曲面基底23按照预定的曲面运动轨迹进行旋转运动，并控制微量注射泵4的注射，实现曲面压电陶瓷的电喷射打印成型；曲面运动轨迹保证喷针7的喷口与曲面基底23上打印点的距离保持不变，且保证喷针7始终垂直于曲面在打印点处的切面；第一层打印完成后，锁定三维旋转装置9并解除三维移动装置10的锁定，移出曲面基底23进行加热处理；重复上述步骤进行下一层打印，直至满足规定的打印厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法，其特征在于，采用包括电喷射压电陶瓷模块和曲面基底六轴联动模块两部分的曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置实现曲面压电陶瓷的打印；首先电喷射压电陶瓷模块为压电陶瓷浆料提供稳定的压力，以保证压电陶瓷浆料按固定流量从喷口流出，同时在喷口处对压电陶瓷浆料施加电场，形成精细射流；然后将曲面基底(23)固定在曲面基底六轴联动模块的可换夹具(19)上，保证曲面基底(23)在打印过程中始终与精细射流保持垂直且距离喷口不变；通过协同控制曲面基底六轴联动模块和电场、流场的变化实现精细射流按需打印，并最终实现复杂曲面结构压电陶瓷的电喷射打印成型；所述的曲面压电陶瓷电喷射打印成型装置具体组成如下：/n所述的电喷射压电陶瓷模块包括PC工控机(1)、CCD观察相机(2)、微量注射泵(4)、精密注射器(5)、软管(6)、喷针(7)和高压电源(8)；所述的精密注射器(5)固定在微量注射泵(4)上，通过软管(6)和喷针(7)相连，且喷针(7)固定在三维移动装置(10)的Z轴滑块上，位于三维旋转装置(9)的上方；所述的高压电源(8)，其正极输出端与喷针(7)相连接，其负极输出端与三维旋转装置(9)中的可换夹具(19)相连接；陶瓷浆料作为原材料墨汁，储存在精密注射器(5)中；所述的微量注射泵(4)供电后，控制精密注射器(5)以稳定的流量将原材料墨汁经过软管(6)后从喷针(7)口喷出，实现电喷射打印；所述的CCD观察相机(2)、微量注射泵(4)和高压电源(8)，均与PC工控机(1)连接，通过CCD观察相机(2)观察打印过程中射流的稳定性，通过PC工控机(1)控制微量注射泵(4)的注射以及高压电源(8)通电情况；/n所述的曲面基底六轴联动模块包括PC工控机(1)、定位相机(3)、三维旋转装置(9)和三维移动装置(10)；所述的三维旋转装置(9)包括导电滑环(11)、周向旋转架(12)、Y向旋转步进电机(13)、Y向旋转架(14)、X向旋转架(16)、调平配重(17)、可换夹具(19)、X向旋转步进电机(20)、周向旋转电机(22)、X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)；所述的Y向旋转架(14)和X向旋转架(16)为框架结构，二者分别由Y向旋转步进电机(13)和X向旋转步进电机(20)控制并提供Y向和X向的旋转力矩；可换夹具(19)固定安装在X向旋转架(16)上，X向旋转架(16)通过安装轴安装在Y向旋转架(14)，X向旋转架(16)绕轴旋转；所述的Y向旋转架(14)通过安装轴安装在周向旋转架(12)上，Y向旋转架(14)绕轴旋转；所述的周向旋转架(12)通过周向旋转电机(22)提供周向的旋转力矩并保证打印的均匀性，使周向旋转架(12)绕底座周向旋转；从而通过电机和旋转架的配合带动可换夹具(19)做曲面运动；所述的X向旋转步进电机(20)和调平配重(17)均安装在Y向旋转架(14)上，且二者的安装位置相对称，通过调平配重(17)平衡X向旋转步进电机(20)的重量；所述的X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)分别安装在X向旋转架(16)、Y向旋转架(14)和周向旋转架(12)上，并与PC工控机(1)相连接，为模块的旋转运动提供基准原点和限位点，并通过PC工控机(1)反馈限位和回零；所述的导电滑环(11)安装在周向旋转架(12)的下方，解决周向电机22的旋转导致Y向旋转步进电机(13)和X向旋转步进电机(20)以及X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)的控制线发生绕线问题；所述的曲面基底(23)固定在可换夹具(19)上，并通过紧定螺钉(26)进行紧固；所述的三维旋转装置(9)安装在三维移动装置(10)的X/Y二维移动平台上，三维移动装置(10)实现三维旋转装置(9)的X和Y轴平移运动，通过调节三维移动装置(10)的Z轴滑块的位置以调整喷针(7)与曲面基底(23)之间的距离；三维旋转装置(9)和三维移动装置(10)均与PC工控机(1)相连接，PC工控机(1)协同控制三维旋转装置(9)和三维移动装置(10)实现六轴联动运动，实现曲面基底(23)的X、Y轴旋转运动以及周向旋转运动，从而实现复杂压电陶瓷曲面轨迹的运动；所述的定位相机(3)固定在三维移动装置(10)的Z轴滑块上，位于三维旋转装置(9)的上方，且与PC工控机(1)连接，通过定位相机(3)和三维移动装置(10)的共同配合实现曲面基底(23)轨迹的精确重复定位；/n电喷射打印复杂曲面压电陶瓷结构的具体步骤如下：/n1)电喷射压电陶瓷浆料/n调节喷针(7)的高度，高压电源(8)在喷针(7)与可换夹具(19)之间施加电压，形成稳定电场；陶瓷浆料在微量注射泵(4...

【技术特征摘要】
1.一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法，其特征在于，采用包括电喷射压电陶瓷模块和曲面基底六轴联动模块两部分的曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置实现曲面压电陶瓷的打印；首先电喷射压电陶瓷模块为压电陶瓷浆料提供稳定的压力，以保证压电陶瓷浆料按固定流量从喷口流出，同时在喷口处对压电陶瓷浆料施加电场，形成精细射流；然后将曲面基底(23)固定在曲面基底六轴联动模块的可换夹具(19)上，保证曲面基底(23)在打印过程中始终与精细射流保持垂直且距离喷口不变；通过协同控制曲面基底六轴联动模块和电场、流场的变化实现精细射流按需打印，并最终实现复杂曲面结构压电陶瓷的电喷射打印成型；所述的曲面压电陶瓷电喷射打印成型装置具体组成如下：
所述的电喷射压电陶瓷模块包括PC工控机(1)、CCD观察相机(2)、微量注射泵(4)、精密注射器(5)、软管(6)、喷针(7)和高压电源(8)；所述的精密注射器(5)固定在微量注射泵(4)上，通过软管(6)和喷针(7)相连，且喷针(7)固定在三维移动装置(10)的Z轴滑块上，位于三维旋转装置(9)的上方；所述的高压电源(8)，其正极输出端与喷针(7)相连接，其负极输出端与三维旋转装置(9)中的可换夹具(19)相连接；陶瓷浆料作为原材料墨汁，储存在精密注射器(5)中；所述的微量注射泵(4)供电后，控制精密注射器(5)以稳定的流量将原材料墨汁经过软管(6)后从喷针(7)口喷出，实现电喷射打印；所述的CCD观察相机(2)、微量注射泵(4)和高压电源(8)，均与PC工控机(1)连接，通过CCD观察相机(2)观察打印过程中射流的稳定性，通过PC工控机(1)控制微量注射泵(4)的注射以及高压电源(8)通电情况；
所述的曲面基底六轴联动模块包括PC工控机(1)、定位相机(3)、三维旋转装置(9)和三维移动装置(10)；所述的三维旋转装置(9)包括导电滑环(11)、周向旋转架(12)、Y向旋转步进电机(13)、Y向旋转架(14)、X向旋转架(16)、调平配重(17)、可换夹具(19)、X向旋转步进电机(20)、周向旋转电机(22)、X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)；所述的Y向旋转架(14)和X向旋转架(16)为框架结构，二者分别由Y向旋转步进电机(13)和X向旋转步进电机(20)控制并提供Y向和X向的旋转力矩；可换夹具(19)固定安装在X向旋转架(16)上，X向旋转架(16)通过安装轴安装在Y向旋转架(14)，X向旋转架(16)绕轴旋转；所述的Y向旋转架(14)通过安装轴安装在周向旋转架(12)上，Y向旋转架(14)绕轴旋转；所述的周向旋转架(12)通过周向旋转电机(22)提供周向的旋转力矩并保证打印的均匀性，使周向旋转架(12)绕底座周向旋转；从而通过电机和旋转架的配合带动可换夹具(19)做曲面运动；所述的X向旋转步进电机(20)和调平配重(17)均安装在Y向旋转架(14)上，且二者的安装位置相对称，通过调平配重(17)平衡X向旋转步进电机(20)的重量；所述的X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)分别安装在X向旋转架(16)、Y向旋转架(14)和周向旋转架(12)上，并与PC工控机(1)相连接，为模块的旋转运动提供基准原点和限位点，并通过PC工控机(1)反馈限位和回零；所述的导电滑环(11)安装在周向旋转架(12)的下方，解决周向电机22的旋转导致Y向旋转步进电机(13)和X向旋转步进电机(20)以及X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)的控制线发生绕线问题；所述的曲面基底(23)固定在可换夹具(19)上，并通过紧定螺钉(26)进行紧固；所述的三维旋转装置(9)安装在三维移动装置(10)的X/Y二维移动平台上...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大志，姜重阳，赵奎鹏，周鹏，梁军生，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21